阳城煤矿3306工作面断层环境冲击危险预测研究.pdf

分类号分类号 TD324密密级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 阳城煤矿阳城煤矿 3306 工作面断层环境工作面断层环境 冲击危险预测研究冲击危险预测研究 胡成成胡成成 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称采矿采矿工程工程 指指导导教教师师姓姓名名顾顾 士士 坦坦职职称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 O 一八年六月一八年六月 万方数据 国家重点研发计划国家重点研发计划子课题子课题（（2016YFC0801403-3）） 山东省自然科学基金面上项目（山东省自然科学基金面上项目（ZR2018MEE009）） 国家自然科学基金面上项目（国家自然科学基金面上项目（51374140、、51204102）） 论文题目论文题目 阳阳城城煤煤矿矿 3306 工工作作面面断断层层环环境境 冲冲击击危危险险预预测测研研究究 作者姓名作者姓名 胡胡 成成 成成入学时间入学时间2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 顾顾 士士 坦坦职职称称副副教教授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON PREDICTION OF DANGER OF ROCK BURST OF FAULT ENVIRONMENT IN 3306 WORKING FACE OF YANGCHENG COAL MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Hu Chengcheng SupervisorAssociated Professor Gu Shitan College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 断层构造是岩层断裂后两侧发生相对运动的产物，是诱发冲击地压的地质 构造影响因素之一。断层区域的采掘活动打破了原有的平衡状态，大量现场事 实证明断层附近易发生冲击地压，甚至还会引起断层本身的错动，对井下人 员、设施等产生巨大的灾害。冲击地压发生过程十分复杂，目前很难用数学模 型进行精确求解，但冲击地压发生前蕴含着很多的前兆信息，而这些信息最直 观的表现形式就是矿上各种冲击地压监测数据，尤其是连续时间的监测数据， 它是煤岩系统在各种因素影响下共同作用的结果，同时也是冲击地压孕育、形 展和发生的必然结果。为此，本文以阳城煤矿 3306 工作面为工程背景，借助数 值模拟软件 flac 与时间序列分析 Eviews 软件，研究采前诱发冲击地压主控因素 与工作面采动过程中微震时间序列。主要结论如下 （1）根据冲击地压发生的前提条件，结合动静叠加诱发冲击地压原理，得 出静载决定冲击剩余能量大小，动载主要起触发冲击的作用的结论。因此，从 原始应力的角度研究了断层环境诱冲主控因素。 （2）从冲击地压发生机理出发，根据动静载叠加诱发冲击地压原理以及应 力与能量之间的关系，确定了衡量冲击危险大小指标应力梯度与弹性比能。 （3） 通过寻找断层环境诱发冲击的各种因素， 确定“埋深” 、 “断层类别” 、 “断层倾角”、“断层落差”和“煤层厚度”，这五个因素对冲击地压的影响。 通过正交数值试验，最终确定断层环境主控因素为“埋深”。 （4） 通过对阳城煤矿危险预警两类微震 （SOS 和 KJ551） 监测指标的分析， 选取微震单日最大能量作为断层环境微震监测冲击危险预警指标。 （5）基于 3306 工作面微震单日最大能量监测数据，利用 Eviews 软件，建 立了回归与时间序列组合模型 21 8 . 0ln96. 0ln65. 0ln   tttt ndzdnd （6）采前从定性（主控因素法）和定量（综合指数法、可能性诊断法等） 的角度分析了 3306 工作面冲击危险性大小；采动过程中，利用建立的模型进行 样本外推预测，可实现危险预警。 关键词关键词冲击地压，诱冲主控因素，断层环境，冲击危险预测，时间序列 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II Abstract Fault structure is the product of relative movement on both sides of rock layer after fracturation, and it is one of the influencing factors of geological structure induceing rock burst. The mining activities in the fault area have broken the original balanced state. A large number of field facts have proved that the rock burst is prone to happen near the fault, and it even can cause the dislocation of the fault itself, which has caused huge disasters to the underground personnel and facilities. The process of rock burst is very complicated, so it is difficult to solve it accurately by mathematical model. However, there is a lot of precursory ination before the impact ground pressure occurs, and the most intuitionistic of these ination is all kinds of rock burst monitoring data, especially the monitoring data of continuous time, it is the result of the coaction of coal and rock system under the influence of various factors, and it is also the inevitable result of the inoculation, development and occurrence of rock burst. Therefore, in this dissertation, based on the engineering background of 3306 face in Yangcheng Coal Mine, with the help of numerical simulation software flac and time series analysis Eviews software, the main control factors of pre-mining induced impact ground pressure and the time series of micro-earthquake in mining process were studied. The main conclusions are as follows （1）According to the precondition of rockburst occurrence and combined with the principle of static and static superposition induced rockburst, it was concluded that static load determines the magnitude of residual energy of impact, and dynamic load mainly plays the role of triggering impact. From the point of view of original stress, the main factors of fault environment induced impulse were studied. （2）Based on the mechanism of rock burst and the relationship between stress and energy and the principle of superposition induced by dynamic and static loading, the index of measuring the magnitude of impact danger was determined stress gradient and elastic specific energy. （3）By looking for various factors of impact induced by fault environment, the influences of “buried depth“, “fault type“, “fault dip angle“, “fault drop“ and “coal seam thickness“ on the impact ground 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III pressure were determined. Through the orthogonal numerical test, the main controlling factor of the fault environment was “buried depth“. （4）Based on the analysis of the monitoring inds of two types of microseismic systems, SOS and KJ551, in Yangcheng Coal Mine, the single day maximum energy of microearthquakes was selected as the early warning index for microseismic monitoring in fault environment. （5）Based on the single day maximum energy monitoring data of micro earthquake on 3306 working face, a combination model of regression and time series was established by using Eviews software. That was, 21 8 . 0ln96. 0ln65. 0ln   tttt ndzdnd （6） From the angle of qualitative main control factor and quantitative synthetic index , possibility diagnosis , etc. before mining, the impact risk of 3306 face was analyzed, and the model was used to predict the sample extrapolation during the mining process. It turned out that danger warning can be realized. KeywordsRockburst，Main Controling Factors of Inductiving Rockburst，Fault Environment，Risk Prediction of Rockburst，Time Series 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘摘要要.........................................................................................................I 目目录录......................................................................................................IV 1 绪论绪论........................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状....................................................................................................2 1.3 主要研究内容及技术路线....................................................................................7 2 断层环境诱冲主控因素断层环境诱冲主控因素........................................................................9 2.1 断层环境诱冲主控因素指标................................................................................9 2.2 断层环境诱冲影响因素......................................................................................11 2.3 影响因素正交数值试验......................................................................................14 2.4 结果分析..............................................................................................................18 2.5 本章小结..............................................................................................................21 33306 工作面断层环境冲击危险微震工作面断层环境冲击危险微震信息信息时间序列时间序列研究研究..............23 3.13306 工作面工程概况.......................................................................................23 3.23306 工作面冲击危险微震预测预警指标.......................................................25 3.3 时间序列分析预测 Eviews 软件简介................................................................27 3.43306 工作面断层环境微震时间序列预测模型...............................................28 3.5 本章小结..............................................................................................................55 43306 工作面断层环境冲击危险预测工作面断层环境冲击危险预测.............................................. 56 4.1 采前断层环境冲击危险定性分析......................................................................56 4.2 采动过程中时间序列高能微震事件预测..........................................................59 4.3 本章小结..............................................................................................................64 5 结论与展望结论与展望..........................................................................................65 5.1 主要结论..............................................................................................................65 5.2 创新点..................................................................................................................65 5.3 不足与展望..........................................................................................................66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 参考文献参考文献..................................................................................................67 致谢致谢.......................................................................................................... 72 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果..................................................................73 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VI Contents abstrac........................................................................................................I contents....................................................................................................IV 1 Introduction............................................................................................1 1.1 Research background and significance...................................................................1 1.2 Research status at home and abroad.......................................................................2 1.3 Main research content and technical route..............................................................7 2 Main control factors induced by fault environment..........................9 2.1 Main control factor index of fault environmental inducement...............................9 2.2 Fault environment induced factors........................................................................11 2.3 Orthogonal numerical test of influencing factors................................................. 14 2.4 Result analysis...................................................................................................... 18 2.5 Chapter summary..................................................................................................21 3 Study on time series of percussive microearthquakes ination for 3306 working face in fault environment........................................ 23 3.1 Engineering survey of 3306 working face............................................................23 3.2 Warning indicators of microearthquake forescast of rockburst danger in 3306 working face................................................................................................................25 3.3 Brief introduction of Eviews software for time series analysis and prediction....27 3.4 Prediction model of microseismic time series for 3306 working face in fault environment................................................................................................................28 3.5 Chapter summary..................................................................................................55 4 Risk prediction of rockburst danger for 3306 working face in fault environment ...........................................................................................56 4.1 Qualitative analysis of rockburst danger of fault environmental before mining..56 4.2 Prediction of high energy microseismic events in time series during mining......59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VII 4.3 Chapter summary..................................................................................................64 5 Conclusion and prospect.....................................................................65 5.1 Main conclusions..................................................................................................65 5.2 Innovation point....................................................................................................65 5.3 Insufficiency and outlook......................................................................................66 Insufficiency and outlook.......................................................................67 Insufficiency and outlook.......................................................................72 Major achievements during the masters degree................................73 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 随煤矿开采深度与开采强度的不断增大，冲击地压已成为煤矿深部开采面 临的主要灾害之一[1]。 它是高应力作用下， 煤岩体内部不平衡状态失稳而引起弹 性能瞬时释放所产生的动力破坏现象， 具有突发性与巨大破坏性特征[2]。 从能量 的角度来看，冲击地压是特定地质条件和开采条件下煤岩系统变形破坏过程中 能量的稳定态积聚与非稳定态释放的过程，是其外部荷载环境、内部结构及其 物理力学性质的综合反映。 由于冲击地压破坏性大，因此具有重要的研究意义。目前主要在以下三个 方面对冲击地压进行了研究[3] 一是冲击地压发生机理， 二是冲击地压危险性评 价与监测预警技术，三是冲击地压防治措施。由于冲击地压发生过程十分复杂， 很难建立精确的数学模型[4]， 彻底认识和掌握冲击地压的发生机理和条件， 进而 对其有效地进行监测预报和防治仍然有相当大的困难。长期的冲击地压防治实 践表明，要对冲击地压进行有效的预防和治理，首先要对冲击地压进行有效的 预测[5]。 冲击地压发生前蕴含着非常丰富的前兆信息，且这些信息在很长一段时间 内不易消失，这就为冲击地压监测预警提供了条件，但这些前兆信息很容易受 到外部环境（如采掘工作面施工方式、每日采掘进尺及空间上的相对关系、数 量等）的影响，从而表现出复杂性、非线性等特征，使得冲击地压灾害判据的 建立变得十分困难[6]。 因此如何从冲击地压前兆信息中提取有效信息， 不仅在预 测理论上有重大突破，而且对全方面解决冲击地压的预测与防治问题具有十分 重要的意义。 据统计[7]，在构造（主要指断层、褶皱、相变）区域发生的冲击地压超过总 体的 70。断层[8]是褶曲构造进一步运动的结果，断层区域附近的应力状态远 比褶曲位置应力复杂的多[9-11]；相变区[7]通常是由沉积环境变化和其它构造运动 形成的；并且随着矿井开采深度的逐渐增加，采掘过程中揭露的断层数量显著 增加，因此，对断层环境冲击危险进行监测预警研究具有重要意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 随着我国煤矿开采强度及深度的增加，开采条件的日趋复杂，矿井深部开 采所出现的安全问题将愈加明显，冲击地压危险和危害将更加严重，而冲击危 险的监测、预测是冲击地压防治的关键。 1.2.1 冲击危险监测研究冲击危险监测研究 目前冲击地压监测预警方法大致分为两类[12]，一类是以钻屑法为主岩石力 学方法，一类是以微震、电磁辐射等为主的地球物理方法，如表1.1所示。 表表1.1冲击危险主要监测预测方法冲击危险主要监测预测方法 Table 1.1Main monitoring and prediction of danger of rock burst 方法种类优点缺点 岩石力学法 钻屑法 简单易行，直观可靠，应 用广泛 在时间和空间上不能 连续监测预测且费时 费工。 应力测量法 岩饼法等 地球物理法 微震法 实时、动态、连续监测， 并可对震源定位 维护管理比较困难， 抗干扰能力差等 声发射法 电磁辐射法等 其它数值模拟法提前确定冲击危险区域忽略煤岩体各向异性 图图 1.1钻孔力学模型钻孔力学模型图图 1.2钻孔效应示意图钻孔效应示意图 Fig. 1.1drilling mechanics modelFig. 1.2schematic diagram of drilling effect 钻屑法通常是在巷帮或掘进迎头位置钻小直径（4250mm）钻孔，根据钻 孔排出的煤粉量多少、粒度大小以及有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法， 其力学模型与钻孔效应如图1.1和图1.2所示[13]。 根据实际排出的煤粉量与临界煤 粉量之间的大小关系以及钻进过程中钻杆是否出现卡死、跳动等现象，来判别 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 冲击危险。但钻屑法施工慢，成孔时间长，当用于工作面回采期间冲击危险监 测时，工作量特别大且在断层等构造区域不易施工，也不能实现在时间和空间 上连续监测。 微震监测法就是在采掘活动区域布设拾震检波器，通过微震震源的位置和 发生的时间来确定一个微震事件，并计算释放的能量，进而统计微地震事件的 强弱、频率以及破裂发生的位置，综合考虑地质构造、采动应力变化等因素， 判断潜在的矿山动力灾害活动规律， 通过识别矿山动力灾害活动规律实现预警， 具有远距离、实时、动态、三维的特点。微震与声发射均是煤岩体变形破裂释 放能量过程中产生的物理效应[14]，它们的区别在于微震属于高能低频信号，频 率一般小于100Hz，声发射属于高频低能信号，频率一般大于100Hz，且微震与 声发射的强度、频次在一定程度上反映了煤岩体的应力状态和释放变形能的速 率大小[15]。 电磁辐射法是利用煤岩体破裂过程中产生电磁能量这一现象来预测矿山动 力灾害。它可以在时间上进行连续监测，数据自动记录并可传输至计算机处理， 但电磁辐射法存在着环境干扰大、可靠性不够高等问题[15]。另外，钻屑和电磁 辐射法一般只对局部地点进行监测，而微震法可对矿区范围内的所有震动进行 记录且灵敏度高 [16]。 数值模拟法通常应用有限元等方法模拟采掘区域的应力分布状态，根据应 力分布与应力集中程度判定冲击地压危险程度。该方法只能作为一种近似方法 使用，对于危险区域的静态评价具有积极意义，但其并不能用于实时预警[17]。 1.2.2 冲击危险预测研究冲击危险预测研究 冲击危险预测主要包括冲击地压影响因素权重赋值法、 预测模型优化、 多参 量综合监测预警。 （1）权重赋值法 冲击地压影响因素众多，具体可分为三类，即煤矿地质因素、开采技术条 件因素和组织管理措施因素[1]。 每一类影响因素中又有因素主次之分， 不同影响 因素之间又存在转化关系，如断层、褶曲构造区域，常常引起煤厚、岩性的变 化；煤柱、停采线位置的煤岩体可处于极限应力状态，如图 1.3 所示。因此，冲 击地压发生是否很难建立精确的数学模型进行解析求解，一般情况下是分析影 响冲击地压发生的各种影响因素，然后确定各种影响因素的权值，最后将其综 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 合起来，建立冲击危险评价预测模型，这种方法最大的困难就是指标权重的确 定。 图图 1.3冲击地压影响因素冲击地压影响因素 Fig. 1.3impact factors of rockburst 综合指数法是最具有代表性的，它是在分析已发生各种冲击地压灾害的基 础上建立的，具有通用性。但对于一个具体工程，通常还需要考虑本身的特性， 从而提高灾害评价预测模型的有效性，在这一方面，前人已做了众多的研究， 如地质动力区划方法[18, 19]，通过确定乌东煤矿冲击地压主要影响因素、权重等， 建立多因素模式识别冲击地压危险性预测模型与冲击地压地质动力条件评价方 法和指标体系；“AHP熵权法”组合赋权法[20]，通过评价冲击地压预判影响因 素的主次关系，建立 CW-TOPSIS 冲击地压综合评判模型，得出老虎台矿 83003 工作面冲击地压发生的主导因素为构造应力的结论；特征指标或数据降维法[21, 22]，对冲击地压各种影响因素，采用邻域粗糙